Et genbrugt univers

Sammenstød mellem braner og kosmisk acceleration kan drive en uendelig cyklus, i hvilken vort univers kun er en fase

J.R. Minkel og George Musser

Nogle spørgsmål er foruroligende fordi de kun kan besvares på en af to lige uforståelige måder. Er vi f.eks. de eneste intelligente skabninger i universet eller vil vi finde andre? Et andet foruroligende spørgsmål er dette: Begyndte universet på et fjernt tidspunkt i fortiden eller var det her altid?
    Big Bang angiver klart en slags begyndelse. Det frygtelige glimt af energi og udvidelsen af rummet satte gang i alt vore øjne og teleskoper kan se i dag. Men i sig selv ville Big Bang teorien efterlade os i et kurvet univers, hvor stof og energi ikke er godt blandede. Faktisk ved vi nu, at rumtiden er flad og at galakser og stråling er jævnt fordelt gennem den. For at opgøre Big Bang teorien foreslog kosmologer, at universet begyndte med et udbrud af eksponentiel udvidelse fra et enkelt ensartet sted i rummet, hvis stempel forbliver på kosmos til denne dag. Sådanne inflationære kosmologier har virket så godt, at de har udkonkurreret hele konkurrencen.
    I løbet af det sidste års tid er en gruppe forskere imidlertid begyndt at udfordre den ides dominans, skønt kosmologifeltet endnu mangler at blive overbevist af den nye indfaldsvinkel. Ved at trække på nogle nye men endnu ikke beviste ideer i partikelfysik, tolker udfordrerne big bang som et voldsomt sammenstød mellem højere dimensionerede genstande. I den seneste udgave af sagaen har forfatterne til denne tolkning fundet en måde at gøre dette enkelte sammenstød til et uendeligt slag, som viser sig hver billion år eller der omkring og som gør vort univers til blot en fase i en uendelig cyklus af fødsel og genfødsel.
    Sådanne cykliske ideer er ikke nye. I 1930'erverne undrede den afdøde Richard Tolman fra California Institute of Technology sig over, hvad der ville ske hvis et lukket univers - i hvilket alt stof og energi endeligt sammenpresses i et stort knas - ville overleve sin lukning og bruse frem igen. Uheldigvis ville universet, som Tolman erkendte, samle entropi gennem hver ny cyklus; for at kompensere ville det være nødt til at vokse hver gang som en løbsk snebold. Og ligesom en snebold skal begynde på et tidspunkt så skulle et sådant univers.
    Så beviste fysikerne i 1960'erne at et stort knas også må kulminere i en singularitet - et punkt stoppet med uendeligt stof og varme - hvor den almene relativitet bryder sammen. Fysikkens love er således åbne. "Ideen om et cyklisk univers har eksisteret længe," siger Andreas Albrecht fra University of California at Davis, en medopfinder af inflation, "og den har altid været plaget af et fundamentalt problem: hvilken fysik forårsager, at det kollapsende univers springer tilbage til den ekspanderende fase?"

String-ularitet

En mulig måde til at omgå problemet er at antage, at elementarpartikler som elektroner, fotoner og kvarker i virkeligheden kun er manifestationer af små energistrenge, der snor sig i højere dimensioner. Forholdet er, at en sådan strengteori kræver at universet har mindst 10 dimensioner, i modsætning til de sædvanlige tre i rummet og en i tiden, som vi perciperer. "I strengteori lærer man en ting - man er i højere dimensioner," siger strengteoretiker Burt Ovrut fra University of Pennsylvania. "Så er spørgsmålet, hvor vores virkelige verden kommer fra? Det er et forbandet godt spørgsmål."
    I 1995 banede Petr Horava, som da var på Princeton University, og Ed Witten fra Princeton Institute for Advanced Studies, som viste at strenge også kunne eksistere i en mere fundamental 11 dimensional teori, vej for et svar. De kollapsede en af disse dimensioner matematisk til en meget lille linie, hvilket gav en 11-dimensional rumtid som på hver side var flankeret af to 10-dimensionale membraner eller braner som farverigt blev døbt "verdens ende" braner. En bran ville have fysiske love som vort eget univers. Ud fra det sluttede Ovrut og kolleger, at seks af disse dimensioner kunne gøres ekstremt små, hvilket ville have den virkning at skjule dem fra dagligdagens syn og efterlade de traditionelle fire dimensioner af rum og tid.
    Tidligt i 2001 satte kosmologerne Justin Khoury og Paul Steinhardt fra Princeton, endnu en inflationspioner, og Neil Turok fra University of Cambridge deres braner igang med at arbejde på Big Bang. Ved at dreje uret tilbage i strengteori fandt de at efterhånden som vor universelle bran passerede gennem sin begyndelsessingularitet i omvendt rækkefølge, gik pludseligt fra en tilstand af intens men endelig varme og tæthed til en, der var kold, flad og mest tom. I denne proces kastede den en anden slags bran ind i det 11 dimensionale gab. Kørt forlæns i tid så Big Bang ud som to braner der smækkede ind i hinanden som to bækkener. De døbte denne proces den ekpyrote model efter den gamle græske "kæmpebrand" kosmologi, hvori universet fødes og udvikles fra en ildeksplosion.
    Uden en bedre forståelse af singulariteten i strengteori kunne gruppen imidlertid ikke studere, hvad der ville ske, når vor bran udvider sig efter kollisionen; modellen gav kun et univers, der trak sig sammen. Så opdagede gruppen senere sidste år, i samarbejde med Nathan Seiberg fra Institute for Advanced Study, at singulariteten kunne tolkes som en kollision mellem de to "verdens ende" braner, i hvilke kun gab dimensionen, der adskiller dem, krymper ned til nul et øjeblik. "Så det, der ser katastrofalt singulært ud, når man beskriver det som en brankollision, er ikke særligt singulært overhovedet". forklarer Turok. Dette scenarie forbliver en gisning, noterer Seiberg, men den er matematisk identisk med beskrivelsen af Big Bang singulariteten i almen relativitet.
    Den ekpyrote model havde forekommet lidt opfundet op til dette punkt, noterer Alan Guth fra Massachusetts Institute of Technology, en anden inflationsforfatter. Præ-bang universet skulle være mørkt, fladt og uendeligt, påbudt ved magt. Men hvorfor skulle det være begyndt i en sådan tilstand? Svaret har, ifølge det seneste arbejde fra Steinhardt og Turok, at gøre med mørk energi, den kraft der driver galakserne fra hinanden med stadigt øgende hastighed.

Drænede braner

Når universet udvider sig, vil det blive vanskeligere for lyset at bevæge sig mellem rummets fjerne hjørner. I tidens løb vil galakser blive isoleret fra deres naboer; stjerner vil slukkes; sorte huller vil fordampe kvantemekanisk til stråling; selv den stråling vil blive fortyndet i et hav af rum. Universet kunne ende meget som den ekpyrote model antyder, at det skulle se ud før Big Bang.
    Steinhardt og Turok har ifølge dette foreslået at den mørke energi, kombineret med den ekpyrote models mildere singularitet, giver en ordentlig måde at opstille et cyklisk univers. Vor bran og dens modpart ville springe fra på hinanden som sædvanligt, men i stedet for at gå deres egne veje, ville de ramme hinanden igen og igen som om de var forbundet med en fjeder. Denne tiltrækkende kraft mellem branerne ville faktisk være et specielt tilfælde af den slags kraft som inflatoriske kosmologier forudsiger for at forklare det tidlige univers eksplosion.
    Branernes oscillerende bevægelse ville forårsage, at der blev pumpet rum ind i vort univers som af et par bælge og forklare den acceleration vi ser i dag. Så "når du spørger hvorfor universet er som det er," forklarer Turok, "tja, så er det fordi det skal være sådan for at det kan gentage sig i næste omgang." Og fordi hver bran allerede er stor og flad, ville der ikke være nogen første cyklus at bekymre sig om.
    Modellen er interessant, da den trækker den ultimative forbindelse mellem tidlig inflation og universets nuværende acceleration, bemærker Albrecht, men "sagen ville være meget mere overbevisende hvis de virkelig kunne vise at et cyklisk univers er muligt." Guth er også uberørt. Han forklarer, at skønt han afventer den dag hvor kosmologi smelter sammen med strengteori, forventer han at inflation er den kosmologi. Alment er ikke alle fysikere overbevist om, at kolliderende braner kan frembringe de små fluktuationer i stof og energi, som inflationen så pænt løser. Sådanne små variationer i disse mængder kræves for at forklare måden på hvilken galakser og stjerner klumper sig sammen og de detaljerede egenskaber ved den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling.
    I den ekpyrote model antages de nødvendige fluktuationer at opstå, når branerne bølger kvantemekanisk, så forskellige områder ville ramme hinanden og begynde at udvide sig først. Den ekpyrote lejr er overbevist om, at disse bølger kan frembringe nøjagtig de variationer, vi ser i dag. "Jeg synes det er overraskende, hvor godt denne model virker til at reproducere alt det, vi ser og alligevel værende så anderledes," bemærker Steinhardt. "Det er temmelig chokerende, synes jeg, vigtigt, fordi vi bevægede os mod noget der var en unik kosmisk historie."
    Men singulariteten forbliver som en anden hindring. Til trods for de nylige fremskridt er ingen sikre på om egenskaber som branbølger virkelig kunne passere uskadede fra stort knas til brag. "Hvad sker der ved singulariteten?" spekulerer Seiberg. "Dette er et stort åbent spørgsmål." Så skønt singulariteten i strengteori kan være, som Turok siger, den "mildest mulige", er den stadig et vildt kort.
    Sagen er imidlertid ikke afgjort, det er for tidligt at sige om de kolliderende braner vil holde eller bukke under. Måske vil de tiltrække nye spillere med endnu mere fantasifulde ideer. "Jeg mener at den cykliske model er virkelig interessant," siger Steinhardt. "Den har en masse nye ingredienser, som folk endnu ikke har haft en chance til at spille med. Når de spiller kunne de finde andre interessante ting som vi har overset." Eller ej.

Oversat fra Scientific American: Explore!.

8. oktober, 2005.

Myten om tidens begyndelse
Universets usete dimensioner
Teorien, der tidligere var kendt som strenge
Brane ny verden
Index